DE2737532C2

DE2737532C2 - Verfahren zum Schutz der Hüllrohre von Kernreaktorbrennstäben

Info

Publication number: DE2737532C2
Application number: DE2737532A
Authority: DE
Inventors: Eckhard 8520 Erlangen Steinberg
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1977-08-19
Filing date: 1977-08-19
Publication date: 1979-05-10
Also published as: GB2003936A; BE869737A; ES472678A1; US4411861A; SE433141B; GB2003936B; DE2737532B1; BR7805200A; SE7808341L; FR2400750B1; FR2400750A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der Hüllrohre von Kernreaktorbrennstäben aus einer Zirkonlegierung vor dem Angriff radioaktiver Spaltprodukte, insbesondere Jod.

Die Brennstäbe, insbesondere von Leichtwasser-Reaktoren, bestehen aus einem Hüllrohr, das beiderseits mit Endkappen verschweißt ist mit einer Füllung aus im allgemeinen tablettenförmigen Kernbrennstoff, beispielsweise aus Urandioxid bzw. einer Mischung aus Urandioxid und Plutoniumdioxid. Die Wandstärke der Hüllrohre beträgt dabei etwa 0,3 bis 0,7 mm, ihre Betriebstemperatur im Kernreaktor liegt in der Größenordnung von 400° C, wobei diese Temperatur allerdings auch bei Störfällen kurzzeitig überschritten werden kann. Die inzwischen langjährige Betriebserfahrung mit solchen Kernreaktorbrennstäben hat gezeigt, daß die heute verwendeten Brennstabkonstruktionen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit besitzen. Auftretende Schäden an Kernreaktorbrennstäben waren selten und erforderten in den meisten Fällen keine sofortige Betriebsunterbrechung des betreffenden Kernreaktors. Diese Erfahrungen galten insbesondere für solche Kernreaktoren, die mit gleichmäßiger Belastung gefahren wurden. Da in der Kernreaktortechnik der Gesichtspunkt der Sicherheit auch in extremen Situationen Priorität hat, wurde auch schon überlegt, wie Brennstabhüllrohre bei Temperaturen von 900° C und evtl. Wassereinbrüchen geschützt werden können. Zur Lösung dieses Problems wurde aus der DE-OS 2429447 bekannt, auch die Innenwand von Hüllrohren aus Zirkonlegierungen mit einer Oxidschicht zu versehen. Das Problem einer evtl. chemischen Reaktion von Spaltstoff bzw. Spaltprodukten bei Hochtemperaturreaktoren mit einem Hüllrohr aus Molybdän wurde in der DE-OS 1489899 angesprochen, und aus ihr wurde eine innere Schutzschicht aus Rhenium bekannt.

Einen Schutz gegen innere Korrosion der bei üblichen Kraftwerksreaktoren verwendeten Hüllrohre aus Zirkonlegierungen durch während des Betriebes sich bildende Spaltprodukte konnten diese Überzüge jedoch nicht geben.

Es wurde nämlich festgestellt, daß Brennstabschäden vermehrt auftraten, wenn Kernreaktoren mit wechselnder Last gefahren werden mußten. Diese wechselnde Last hatte wechselnde Temperaturen der Kernreaktorbrennstäbe zur Folge, die somit auch zusätzlich wärmedehnungsmäßig zyklisch beansprucht wurden. Es zeigte sich dabei, daß an der Innenwandung der Hüllrohrc eine Spannungsrißkorrosion einsetzte, wobei als korrodierende Medien radioaktive Spaltprodukte, insbesondere Jod, festzustellen waren.

Es stellte sich daher die Aufgabe, Mittel und Wege zu finden, eine derartige Spannungsrißkorrosion weitestgehend zu unterbinden und damit die Brennstäbe auch bei wechselndem Lastbetrieb genauso zuverlässig wie bei konstanter Last zu machen..

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hüllrohre bei einer Temperatur von 300 bis 500° C einem solchen Innendruck ausgesetzt werden, daß sie sich in Abhängigkeit von ihrer geometrischen Dimensionierung im elastischen Bereich bis nahe der Fließgrenze verformen und während dieses Zustandes in an sich bekannter Weise ein vorher in das Hüllrohrinnere eingebrachtes Medium mit der Hüilrohrinnenwandung unter Bildung einer Schutzschicht reagiert.

Nach Beendigung der empirisch zu ermittelnden Zeit für die Schutzschichtbildung wird die Temperatur sowie der Druck wieder abgesenkt, so daß das Hüllrohr praktisch wieder seine ursprüngliche Dimensionierung annimmt. Die während dieser Behandlung entstandene Schutzschicht wird dabei zusammengepreßt und befindet sich unter einer starken inneren Druckspannung. Diese Spannung löst sich auch nicht während des Reaktorbetriebes, da im Verlaufe desselben eine ähnliche Hüllrohrverformune weiien des

von außen einwirkenden hohen Kühlmitteldruckes nicht stattfinden kann. Es hat sich nun gezeigt, daß derartig behandelte Hüllrohre von Kernbrennstoffstäben praktisch unempfindlich gegen Spannungsrißkorrosion geworden sind. Dies entspricht auch der Erfahrung, die man aus anderen Gebieten der Technik mit Werkstücken gemacht hat, die zum Schütze gegen Spannungsrißlkorrosion mit einer inneren Druckspannungszone veirsehen worden sind. In diesem Zusammenhang sei auf Wärmetauscherrohre hingewiesen, die auf ihrer Außenseite mit einer Druckspannui;gsschicht durch Walzen oder Sandstrahlen mit Glasperlen versehen werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung sei nun anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt ein Brennstabhüllrohr 2 im Schnitt, vor der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. In seinem Inneren herrscht der Druck P₁₁, der auch dem Außendruck entspricht.

Die Fig. 2 zeigt nun, daß durch Aufbringen eines hohen Innendruck« P₁ sowie der Temperatur von 300 bis 500° C eine Aufweitung des Hüilrohres stattgefunden hat. Dieses ist hier mit ΐ bezeichnet. In diesem aufgeweiteten Hüllrohr, dessen Verformung noch im elastischen Bereich bis nahe der Fließgrenze vorgenommen wurde, findet nun durch ein eingebrachtes Medium die Ausbildung einer Schutzschicht 3 statt. Dieser Zustand ist in Fig. 3 dargestellt. Nach Ausbildung dieser Schutzschicht und Wegnahme von Druck und Temperatur geht entsprechend Fig. 4 das Brennstabhüllrohr 2 wieder auf seine ursprüngliche Gestalt zurück, wobei die innen gebildete Schutzschicht 3' zusammengepreßt wird, also unter einer Druckspannung steht. Die in den Figuren dargestellte Durchmesservergrößerung ist selbstverständlich nicht maßstäblich, sie wurde zur Verdeutlichung des Erfindungsprinzips sehr stark übertrieben.

Die Fig. 5 zeigt nun zwei Möglichkeiten für die praktische Durchführung dieses Verfahrens. Die Brennstabhüllrohre 1 werden auf der einen Seite mit dem richtigen Endstopfen 4 dicht verschweißt. Auf der anderen Seite werden sie mit einem provisorischen Endstopfen 5 verschweißt, der über eine Leitung 51 mit einer Druckgasquelle 52 in Verbindung steht. Zur gleichmäßigen Aufheizung dieses Brennstabes wird dieser für die Durchführung des Verfahrens in einem Ofen 8 gelagert, der hier nur schematisch angedeutet ist. Selbstverständlich könnte auch eine andere Wärmequelle, wie z. B. die induktive Erwärmung, zu diesem Zweck herangezogen werden. Zur Aufbringung des benötigten hohen Innendruckes, der bei den üblichen Abmessungen eines Brennstabhüllrohres für die Erzeugung der elastischen Dehnung über 100 Atmosphären beträgt, wird Druckgas über die Leitung 51 aufgegeben. Dieses enthält außerdem einen gewissen Anteil des die Schutzschicht bildenen Stoffes, vie ζ. Β. Sauerstoff. Durch diesen mitgeführten Sauerstoff wird die Innenwandung des Hüllrohres oxidiert, es bildet sich ZrO₂. Der gleiche Effekt wird auch durch Einbringen von hochgespanntem Wasserdampf erreicht. Der Bildungsmechanismus für die Schutzschicht entspricht dabei jenem, der aus der Technik des Autoklavieren von Zirkonhüllrohren her bekannt ist. Bei jenem Vorgang allerdings wird das Hüllrohr selbst mechanisch nicht beansprucht, so daß die dort gebildeten Schutzschichten keine inneren Eigenspannungen aufweisen.

Eine weitere elegante Methode zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 5 an dem unteren Hüllrohr 1 dargestellt. Dieses befindet sich im gleichen Ofen 8 *' und ist mit einem provisorischen Endstopfen 6 verschlossen. Dieser ist absolut dicht, ein Anschluß an eine Druckgasquelle ist nicht vorhanden. Vor dem Aufbringen dieses Stopfens jedoch wurde eine bestimmte Menge Wasser, siehe der Tropfen 7, in das Innere des Hüllrohres eingebracht. Diese Wassermenge wurde dabei so bemessen, daß bei der durch den Ofen gegebenen Temperatur der benötigte Innendruck zur elastischen Verformung des Hüllrohres entsteht.

ι"' Anstelle des Wassertropfens 7 könnte auch eine entsprechende Menge Wasserstoffsuperoxid Verwendung finden. Bei dessen Verdampfung entsteht atomarer Sauerstoff, der eine gegenüber den bisher genannten Methoden raschere Oxidierung der Hiill-

-" rohrinnenwand bewirkt.

Anstelle von Flüssigkeiten könnten selbstverständlich auch andere gasabgebende Stoffe eingebracht werden, wesentlich ist dabei, daß diese Stoffe zuverlässig dosiert werden können.

-"> Die mit diesem Verfahren erzielte hervorragende Schutzwirkung gegen Spannungsrißkorrosion läßt sich nicht nur durch die Druckspannungsschicht erklären, sondern auch durch die Verfahrensführung, nach der die Schutzschicht auf das aufgeweitete Hüllrohr auf-

!» gebracht wird. Dabei bildet sich diese Schutzschicht auch z. B. in Fugen zwischen den Endstopfen und den Hüllrohren sowie an der Grenze der Verbindungsschweißnaht. Das gleiche gilt auch für Oberflächenfehler, die vom Herstellungsprozeß der Hüllrohre

r> selbst herrühren können. Es entsteht somit im Vergleich zur normalen Autoklaviertechnik ein bis in dem mikroskopischen Bereich hineinragender vollständiger Überzug, dessen Dicke zweckmäßigerweise bis zu 5 μιη beträgt.

■»> Ein weiterer mit diesem Verfahren verbundener Vorteil soll nicht unerwähnt bleiben. Dieser besteht darin, daß bei der Durchführung dieses Verfahrens gleichzeitig die Möglichkeit gegeben ist, die Dichtigkeit der Schweißnaht zwischen dem Endstopfen 4 und

4> dem Hüllrohr 2 zu überprüfen. Dies läßt sich dadurch bewerkstelligen, daß man den Innenraum des Ofens 8 dicht abschließt und dessen Druck überwacht. Dabei soll auch darauf hingewiesen werden, daß sich dieses Verfahren nicht nur auf die Bildung von Oxidschich-

■io ten erstreckt, vielmehr könnten auch Karbid- und SiIizidschichten usw. zur Erzielung der Spannungsrißkorrosionsfestigkeit herangezogen werden. Die Auswahl der geeignetsten Schutzschichten hängt dabei von der Wahl des Hüllrohrwerkstoffes ab, der stets eine Zir-

V) konlegierung sein dürfte sowie von der Spezifikation des Kernbrennstoffes.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß es auch möglich ist, bereits fertiggestellte Kernbrennstoffstäbe, also solche, die bereits ihre Kernbrennstoffül-

ho lung enthalten, nach diesem Verfahren zu behandeln. In diesem Fall muß z. B. das oxidierende Mitte! bereits vor dem endgültigen Verschluß des Hüllrohres eingebracht werden. Dieses kann dabei dann so zusammengesetzt sein, daß es gleichzeitig während des Betriebes

b^r) des Kernreaktorbrennstabes für dessen sogenannten Vorinnendruck sorgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schutz der Hüllrohre von Kernreaktorbrennstäben aus einer Zirkonlegierung vordem Angriff radioaktiver Spaltprodukte, insbesondere Jod, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllrohre bei einer Temperatur von 300 bis 500° C einem solchen Innendruck ausgesetzt werden, daß sie sich in Abhängigkeit von ihrer geometrischen Dimensionierung im elastischen Bereich bis nahe der Fließgrenze verformen und während dieses Zustandes in an sich bekannter Weise ein vorher in das Hüllrohrinüere eingebrachtes Medium mit der Hüllrohrinnenwand unter Bildung einer Schutzschicht reagiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingebrachte Medium gleichzeitig zum Druckaufbau in dem beiderseits verschlossenen Hüllrohr dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium eine entsprechend abgestimmte Menge Wasser dient, dessen Dampf eine Schutzschicht aus Zirkondioxid auf der Hüllrohrinnenwand bildet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium eine entsprechend abgestimmte Menge H₂O₂ dient, dessen Dampf und freiwerdender, zunächst atomarer, Sauerstoff eine Schutzschicht aus Zirkondioxid auf der Hüllrohrinnenwand bildet.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr auf der einen Seite bereits mit dem richtigen Brennstabendstopfen verschweißt wii-d, dann das Medium in entsprechender Menge eingebracht und das andere Hüllrohrende mit einem provisorischen Verschluß versehen wird und durch anschließende Erwärmung mit an sich bekannten Mitteln das eingebrachte Medium verdampft und zur Reaktion mit der Hüllrohrinnenwand gebracht wird und daß der Verschluß nach Ablauf der empirisch ermittelten Aufbauzeit für die Schutzschicht und Abkühlung des Hüllrohres wieder entfernt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Druckaufbau und die Schutzschichtbildung verschiedene, insbesondere gasförmige Stoffe bzw. gasabgebende Stoffe, in das Hüllrohr eingebracht werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr bereits vor der Erzeugung der Schutzschicht mit Kernbrennstofftabletten gefüllt und beiderseits endgültig mit den richtigen Endstopfen versehen ist.